2024年3月27日发(作者:邛梦云)
2020年12月10日第37卷第23期
doi:10.19399/.2020.23.015
设计应用
车载电源系统开关电源的设计
韩 晓
(广州海格通信集团股份有限公司,广东 广州 510000)
摘要:随着现代科技发展和车载电源系统逐渐完善,目前对于48 V DC汽车电源系统的研究越来越深入。该研
究从最早的2008年欧共体应用至今得到了广泛研究和推广,并逐渐探索其系统与12 V DC电子设备的兼容。传统使
用线性稳压电源进行48 V DC/12 V DC的转换过程会导致大量的功率损耗,因此结合工作经验,探讨其中一种具有
过载和短路保护的电源系统开关电源设计,保证其在48 V DC/12 V DC的转换中能够同时保证电压的稳定和连续性,
并有效减少电源损耗。
关键词:车载电源系统;开关电源;反激式电源;电路设计
Design of Switching Power Supply for Vehicle Power Supply System
HAN Xiao
(Guangzhou Haige Communication Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China)
Abstract:With the development of modern science and technology and the gradual improvement of vehicle power
supply system,the research on 48 V DC automotive power supply system is more and more research has
been widely studied and promoted since the earliest application of EC in 2008,and the compatibility of the system with
12 V DC electronic equipment is gradually ional use of linear regulated power supply for 48 V DC/12 V
DC conversion process will lead to a lot of power loss,so this paper will combine with the work experience,discuss one
of the power system switching power supply design with overload and short-circuit protection,to ensure the stability
and continuity of voltage in the conversion of 48 V DC/12 V DC,and effectively reduce the loss of power supply.
Keywords:vehicle power system;switching power supply;flyback power supply;circuit design
1 开关电源的应用及现状
随着开关电源的应用和推广,其应用的高效性
和体积重量的轻便性等特点,使其在电子信息产业发
展中承担着越来越重要的角色。目前,开关电源在各
种通信终端等电子设备中得到了广泛应用,最具代表
性的就是300~500 kHz电源,其制造的核心是金氧
半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect
Transistor,MOSFET),已逐渐发展成为市场主流的
DC-DC开关电源。但随着市场化进程的不断推进和现
代信息技术的稳步发展,对工作频率的要求也越来越
高,因此在未来高频化发展进程的推进中,要切实加
强开关电源技术创新和应用探索,继续优化开关电源
的质量和体积,进一步拓展开关电源的应用范围
[1-3]
。
近年来,在高新技术产业和信息产业高速发展
的背景下,电子产品和元件的轻便化和集成化要求也
越来越高,在未来发展和应用中要紧密结合环境保
护和可持续发展理念,在保障高频率需求的基础上,
稳步提高开关电源的制造工艺,寻求磁性材料及半
导体元件等高新技术和产品应用的突破,为开关电源
技术发展提供新的活力,实现开关电源工艺水平的跳
收稿日期:
2020-10-15
作者简介:
韩 晓(1978-),男,广东揭西人,学士,主
任,主要研究方向为通信技术、电源技术。
跃式发展。
2 基本反馈电路及反激式电源变换器
2.1 基本反馈电路
以DC-DC开关电源为例,电路输出端电压的
采集依靠采样电阻R完成。在电压信息采集完成后,
将获取到的各项电压变化信息传输到控制芯片,由其
完成电压的调控。作为开关电源中最基本的反馈电路,
其设计相对简单,成本消耗较低,但稳定性较差,抗
干扰能力不强
[4]
。
2.2 反激式DC-DC电源变换器
以反激式开关电源为例,变压器原边能量的储
存是在开关管导通后进行的,其能量储存的来源是电
源的能量。能量储存过程中,电流将不断上升,同时
会导致副边产生电动势。输出端设置了整流二极管,
在其防反功能作用下并不会产生有效的电流。如果开
关管突然关断,那么变压器原边的电流会发生突变。
在法拉第电磁感应作用下,变压器的副边会产生感应
电动势和感应电流,实现储存能量向负载供能。
反激式DC-DC电源变换器的绕组是根据功能需
要进行科学设计的,保证了变压器的原边和副边不能
同时导通。据上述分析来看,开关管的储能过程是在
导通时和关断时完成的,且互相独立,因此此升降压
变换器属于衍生拓扑。
2
Telecom Power Technology
3 单端反激式开关电源的设计
本文将选取如1图所示的单端反激式开关电源
为例,进行升压单端反激式开关电源拓扑研究。其
控制核心是UC3845,开关频率设置为150 kHz,输
入为12 V的直流电源,通过DC-DC变换为24 V输
出的直流电源,在稳压二极管作用下输出+15 V和
-8 V电压。系统中采用的芯片是常见的脉宽调制
(Pulse Width Modulation,PWM)芯片中的一种,能
够借助新品有效控制PWM波实现对系统的综合调控。
另外,系统中的Q
5
是系统的MOS管,能够实现对时
间的合理调控和设置,保障系统输出的合理性和整体
的稳定性。
D
TR
5
SS310A
C
2
4
D
8
Q
2
FQD1BNZ0V2TM
1
R
3
C
SS310A
7
TR_EE16-4x2
CC
EC
+
D
S
M
A
5
9
3
6
8
C
C
…
C
1
RR
T_+15V
D
1SMAS930BT3G
T_GND
C
T_-8V
B_+15V
D
1SMAS930BT3G
B_GND
RRC
B_-8V
D
+12V
U
R
7
150 k
R
VCCFB
2
CR
GND
6
RDCT
C
5
GND
GND
2
1
R
UC2B4SBVD1
CS
C
R
OUT
3
DZ
SMAS9318
EC+
D
SS310A
8
VREFCOMP
1
C
D
1N4148W
4
R
OR24/1%R
R
LED
S
M
A
5
9
3
6
8
R
1
C
EC+
D
R
RC 10 ms
C
Q
SS855QL
GND
B_-8V
4
R
3
EL817S-FV
U
1
2
2
R
TL431
LED_GREEN_0603
GND
C
R
R
A
R
GND
B_-8V
图1 单端反激式开关电源原理图
系统的启动是在UC3845芯片控制下进行的,启
动之后将在整体调控下开始正常工作。第一个工作周
期内芯片需要输出高电压,然后开关管打开后变压器
的原边会产生突变电流,同时将进行能量储存。根据
储能情况进行控制,一直到储能完成后将控制芯片再
输出低电压,此时控制开关管关闭。原边内电流将经
过D
13
的二极管实现续流,此时发生的电流突变将导
致副边产生感应电动势,出现感应电流,经过副边二
极管D
9
和D
14
整流后,再经储能滤波电容出现,最
终得到相对稳定的输出电流和输出电压。
如果需要不同的输出电压,输出环境变化会通
过系统进行反馈和调整,保证输出电压和电流的合理
性。一旦输出端的负载变大,则其功率将瞬间增大,
电压将会突变减小。如果其低于正常的工作电压,那
么将会在输出电路端进行检测完成系统反馈。该系
统反馈过程的原理是基于准电压的反馈电路,通过
TL431完成,在光耦的联通下连接到FB引脚,反馈
到控制芯片。控制芯片UC3845得到反馈电压等信息
后,结合输出电压的变化信息合理控制PWM的占空
比,保证在输出电压降低后,为其提供更多的能量保
障电压的稳定。此外需要合理增加占空比和开关管的
开通时间,保障原边能够储存更多的能量,保证输出
端电压需求。储能结束后关闭开关管,将更多的能量
传输给输出端,当输出能量需求变少或输出负载变低
时,反馈原理相同,达到稳定的输出状态
[5]
。
3.1 单端反激式开关电源的相关参数设计
本文选取单端反激式开关电源为例,合理分析
和设计几个相关参数。
传统的变压器原边和副边两端电压的比例和电
流的比例是由匝比决定的,由于原理和设计的不同,
导致反激变换器相关数值计算也有所差异。具体原因
是其绕组不同时导通,所以要计算原边和副边的电压,
综合计算输入电压
V
IN
和占空比等数据。在开启开关
管的过程中,
V
IN
电压只作用在变压器的原边,所以
电压
V
INR
=
V
IN
/
n
。其中
n
是电压器的匝比,
V
INR
是副
边电压,但由于副边的整流二极管存在,导致副边此
时并没有电流流过。
综上,变压器绕组之间的电压
V
P
和
V
S
可以通过
感应电压方程来计算,电压转换后的数值为:
V
P
=−
N
P
d
φ
d
t
d
φ
(1)
2020年12月10日第37卷第23期
V
d
d
t
φ
S
=−
N
S
d
t
(2)
式中,
NN
d
φ
P
、
S
分别表示其绕组的匝数;
dt
表示磁通
变化率。
由于电压的转换是在同一磁芯上完成的,所以
上式中的
d
φ
dt
数值也相同。由式(1)和式(2)可以
得到:
d
t
V
V
P
=
−
N
P
S
−
N
S
(3)
通过计算能够得到传统变压器的电压成比例,
1
也能够进一步揭示出传统变压器的匝比关系影响下的
电压变化等情况。但在反激式变压器中,原边和副
边是不同时导通的,所以诠释反激式变压器的电流
比等情况,还需要从能量的角度出发根据其特点综合
考虑
[6-8]
。
其中,磁芯的能量为:
V
S
−
N
S
E
=
1
2
LI
2
(4)
虽然反激式变压器原边和副边的导通时间不一
样,但各个绕组的能量在不同时间必然等于上式的磁
芯能量。那么:
d
t
E
=
1
2
L
P
I
P
2
=
1
2
L
S
I
S
2
(5)
式中,
L
P
是原边的电感值(开路状态);
L
S
是副边
的电感值(开路状态)。电感公式为:
L
=
N
2
×
A
L
×10
-9
H (6)
式中,
A
L
为设计时定义的电感系数。所以,在反激
式变换器中有:
L
P
=
N
2
P
×
A
L
×10
-9
H (7)
L
S
=
N
2
S
×
A
L
×10
-9
H (8)
带入能量方程可得出:
N
P
I
P
=
N
S
I
S
(9)
这就是正常工作状态下的变压器电流和匝比的
关系。
3.2 单端反激式开关电源应用功率范围
单端反激式开关电源在应用过程中,应用功率
普遍不高,通常维持在100 W左右,而且是在开关
管关断期间完成的。开关管开通过程中不需要为负载
提供输出功率,为保证变压器能够复原,设计的占空
比就不能大于0.5。另外考虑到单端反激式开关电源
在应用过程中具有体积小和质量轻等特点和优势,所
以在设计过程中往往设计为低功率。如果强行将单端
反激式开关电源设计成高功率输出,会增大变压器的
体积,增加设计成本,在使用时也会增加系统的损耗,
降低开关电源的效率,所以大功率的DC-DC转换器
都不使用单端反激式的开关电源方案
[9,10]
。
4 结 论
单端反激式开关电源在设计和应用过程中,电
路设计简单,体积小且质量轻,不需要正激式开关电
源的大体积储能滤波电感,也减少了续流二极管的
配置,使其在体积设计上具有了更大优势,大大降低
了设计成本。此外,单端反激式开关电源不仅具有储
能功能,而且变压效果和隔离作用较好,波纹干扰较
少,使得输出电压更干净,满足多路输出和小功率应
用需求。
参考文献:
[1] 汪贵雄.电动汽车车载电源[D].泉州:华侨大学,
2019.
[2] 廉 达.宽范围输入两级式车载开关电源设计[D].
秦皇岛:燕山大学,2018.
[3] 董晓东,赵宏才.基于DSP智能控制车载软开关电源
系统的设计[J].工业控制计算机,2014,27(11):
154-155,158.
[4] 肖必超.7.2 V车载反激式开关电源的设计[J].大众科
技,2014,16(5):54-55.
[5] 田 密.车载智能化电源管理系统的研究[D].杭州:
浙江工业大学,2012.
[6] 车怀林.车载DC-DC开关电源的设计[J].甘肃广播
电视大学学报,2009,19(3):48-49,68.
[7] 郑嘉伟.车载充电器辅助电源系统的高效设计[D].
合肥:合肥工业大学,2016.
[8] 周鹏飞,钟再敏.基于LM5175的Buck-Boost车用
开关电源设计[J].电子科技,2016,29(2):129-
133.
[9] 晏承荣.一款同步恒流恒压控制的降压型变换器的研
究与设计[D].西安:西安电子科技大学:2015.
[10] 田 沛.基于移相全桥拓扑的车载开关电源系统研
究[D].徐州:中国矿业大学,2019.
2024年3月27日发(作者:邛梦云)
2020年12月10日第37卷第23期
doi:10.19399/.2020.23.015
设计应用
车载电源系统开关电源的设计
韩 晓
(广州海格通信集团股份有限公司,广东 广州 510000)
摘要:随着现代科技发展和车载电源系统逐渐完善,目前对于48 V DC汽车电源系统的研究越来越深入。该研
究从最早的2008年欧共体应用至今得到了广泛研究和推广,并逐渐探索其系统与12 V DC电子设备的兼容。传统使
用线性稳压电源进行48 V DC/12 V DC的转换过程会导致大量的功率损耗,因此结合工作经验,探讨其中一种具有
过载和短路保护的电源系统开关电源设计,保证其在48 V DC/12 V DC的转换中能够同时保证电压的稳定和连续性,
并有效减少电源损耗。
关键词:车载电源系统;开关电源;反激式电源;电路设计
Design of Switching Power Supply for Vehicle Power Supply System
HAN Xiao
(Guangzhou Haige Communication Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China)
Abstract:With the development of modern science and technology and the gradual improvement of vehicle power
supply system,the research on 48 V DC automotive power supply system is more and more research has
been widely studied and promoted since the earliest application of EC in 2008,and the compatibility of the system with
12 V DC electronic equipment is gradually ional use of linear regulated power supply for 48 V DC/12 V
DC conversion process will lead to a lot of power loss,so this paper will combine with the work experience,discuss one
of the power system switching power supply design with overload and short-circuit protection,to ensure the stability
and continuity of voltage in the conversion of 48 V DC/12 V DC,and effectively reduce the loss of power supply.
Keywords:vehicle power system;switching power supply;flyback power supply;circuit design
1 开关电源的应用及现状
随着开关电源的应用和推广,其应用的高效性
和体积重量的轻便性等特点,使其在电子信息产业发
展中承担着越来越重要的角色。目前,开关电源在各
种通信终端等电子设备中得到了广泛应用,最具代表
性的就是300~500 kHz电源,其制造的核心是金氧
半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect
Transistor,MOSFET),已逐渐发展成为市场主流的
DC-DC开关电源。但随着市场化进程的不断推进和现
代信息技术的稳步发展,对工作频率的要求也越来越
高,因此在未来高频化发展进程的推进中,要切实加
强开关电源技术创新和应用探索,继续优化开关电源
的质量和体积,进一步拓展开关电源的应用范围
[1-3]
。
近年来,在高新技术产业和信息产业高速发展
的背景下,电子产品和元件的轻便化和集成化要求也
越来越高,在未来发展和应用中要紧密结合环境保
护和可持续发展理念,在保障高频率需求的基础上,
稳步提高开关电源的制造工艺,寻求磁性材料及半
导体元件等高新技术和产品应用的突破,为开关电源
技术发展提供新的活力,实现开关电源工艺水平的跳
收稿日期:
2020-10-15
作者简介:
韩 晓(1978-),男,广东揭西人,学士,主
任,主要研究方向为通信技术、电源技术。
跃式发展。
2 基本反馈电路及反激式电源变换器
2.1 基本反馈电路
以DC-DC开关电源为例,电路输出端电压的
采集依靠采样电阻R完成。在电压信息采集完成后,
将获取到的各项电压变化信息传输到控制芯片,由其
完成电压的调控。作为开关电源中最基本的反馈电路,
其设计相对简单,成本消耗较低,但稳定性较差,抗
干扰能力不强
[4]
。
2.2 反激式DC-DC电源变换器
以反激式开关电源为例,变压器原边能量的储
存是在开关管导通后进行的,其能量储存的来源是电
源的能量。能量储存过程中,电流将不断上升,同时
会导致副边产生电动势。输出端设置了整流二极管,
在其防反功能作用下并不会产生有效的电流。如果开
关管突然关断,那么变压器原边的电流会发生突变。
在法拉第电磁感应作用下,变压器的副边会产生感应
电动势和感应电流,实现储存能量向负载供能。
反激式DC-DC电源变换器的绕组是根据功能需
要进行科学设计的,保证了变压器的原边和副边不能
同时导通。据上述分析来看,开关管的储能过程是在
导通时和关断时完成的,且互相独立,因此此升降压
变换器属于衍生拓扑。
2
Telecom Power Technology
3 单端反激式开关电源的设计
本文将选取如1图所示的单端反激式开关电源
为例,进行升压单端反激式开关电源拓扑研究。其
控制核心是UC3845,开关频率设置为150 kHz,输
入为12 V的直流电源,通过DC-DC变换为24 V输
出的直流电源,在稳压二极管作用下输出+15 V和
-8 V电压。系统中采用的芯片是常见的脉宽调制
(Pulse Width Modulation,PWM)芯片中的一种,能
够借助新品有效控制PWM波实现对系统的综合调控。
另外,系统中的Q
5
是系统的MOS管,能够实现对时
间的合理调控和设置,保障系统输出的合理性和整体
的稳定性。
D
TR
5
SS310A
C
2
4
D
8
Q
2
FQD1BNZ0V2TM
1
R
3
C
SS310A
7
TR_EE16-4x2
CC
EC
+
D
S
M
A
5
9
3
6
8
C
C
…
C
1
RR
T_+15V
D
1SMAS930BT3G
T_GND
C
T_-8V
B_+15V
D
1SMAS930BT3G
B_GND
RRC
B_-8V
D
+12V
U
R
7
150 k
R
VCCFB
2
CR
GND
6
RDCT
C
5
GND
GND
2
1
R
UC2B4SBVD1
CS
C
R
OUT
3
DZ
SMAS9318
EC+
D
SS310A
8
VREFCOMP
1
C
D
1N4148W
4
R
OR24/1%R
R
LED
S
M
A
5
9
3
6
8
R
1
C
EC+
D
R
RC 10 ms
C
Q
SS855QL
GND
B_-8V
4
R
3
EL817S-FV
U
1
2
2
R
TL431
LED_GREEN_0603
GND
C
R
R
A
R
GND
B_-8V
图1 单端反激式开关电源原理图
系统的启动是在UC3845芯片控制下进行的,启
动之后将在整体调控下开始正常工作。第一个工作周
期内芯片需要输出高电压,然后开关管打开后变压器
的原边会产生突变电流,同时将进行能量储存。根据
储能情况进行控制,一直到储能完成后将控制芯片再
输出低电压,此时控制开关管关闭。原边内电流将经
过D
13
的二极管实现续流,此时发生的电流突变将导
致副边产生感应电动势,出现感应电流,经过副边二
极管D
9
和D
14
整流后,再经储能滤波电容出现,最
终得到相对稳定的输出电流和输出电压。
如果需要不同的输出电压,输出环境变化会通
过系统进行反馈和调整,保证输出电压和电流的合理
性。一旦输出端的负载变大,则其功率将瞬间增大,
电压将会突变减小。如果其低于正常的工作电压,那
么将会在输出电路端进行检测完成系统反馈。该系
统反馈过程的原理是基于准电压的反馈电路,通过
TL431完成,在光耦的联通下连接到FB引脚,反馈
到控制芯片。控制芯片UC3845得到反馈电压等信息
后,结合输出电压的变化信息合理控制PWM的占空
比,保证在输出电压降低后,为其提供更多的能量保
障电压的稳定。此外需要合理增加占空比和开关管的
开通时间,保障原边能够储存更多的能量,保证输出
端电压需求。储能结束后关闭开关管,将更多的能量
传输给输出端,当输出能量需求变少或输出负载变低
时,反馈原理相同,达到稳定的输出状态
[5]
。
3.1 单端反激式开关电源的相关参数设计
本文选取单端反激式开关电源为例,合理分析
和设计几个相关参数。
传统的变压器原边和副边两端电压的比例和电
流的比例是由匝比决定的,由于原理和设计的不同,
导致反激变换器相关数值计算也有所差异。具体原因
是其绕组不同时导通,所以要计算原边和副边的电压,
综合计算输入电压
V
IN
和占空比等数据。在开启开关
管的过程中,
V
IN
电压只作用在变压器的原边,所以
电压
V
INR
=
V
IN
/
n
。其中
n
是电压器的匝比,
V
INR
是副
边电压,但由于副边的整流二极管存在,导致副边此
时并没有电流流过。
综上,变压器绕组之间的电压
V
P
和
V
S
可以通过
感应电压方程来计算,电压转换后的数值为:
V
P
=−
N
P
d
φ
d
t
d
φ
(1)
2020年12月10日第37卷第23期
V
d
d
t
φ
S
=−
N
S
d
t
(2)
式中,
NN
d
φ
P
、
S
分别表示其绕组的匝数;
dt
表示磁通
变化率。
由于电压的转换是在同一磁芯上完成的,所以
上式中的
d
φ
dt
数值也相同。由式(1)和式(2)可以
得到:
d
t
V
V
P
=
−
N
P
S
−
N
S
(3)
通过计算能够得到传统变压器的电压成比例,
1
也能够进一步揭示出传统变压器的匝比关系影响下的
电压变化等情况。但在反激式变压器中,原边和副
边是不同时导通的,所以诠释反激式变压器的电流
比等情况,还需要从能量的角度出发根据其特点综合
考虑
[6-8]
。
其中,磁芯的能量为:
V
S
−
N
S
E
=
1
2
LI
2
(4)
虽然反激式变压器原边和副边的导通时间不一
样,但各个绕组的能量在不同时间必然等于上式的磁
芯能量。那么:
d
t
E
=
1
2
L
P
I
P
2
=
1
2
L
S
I
S
2
(5)
式中,
L
P
是原边的电感值(开路状态);
L
S
是副边
的电感值(开路状态)。电感公式为:
L
=
N
2
×
A
L
×10
-9
H (6)
式中,
A
L
为设计时定义的电感系数。所以,在反激
式变换器中有:
L
P
=
N
2
P
×
A
L
×10
-9
H (7)
L
S
=
N
2
S
×
A
L
×10
-9
H (8)
带入能量方程可得出:
N
P
I
P
=
N
S
I
S
(9)
这就是正常工作状态下的变压器电流和匝比的
关系。
3.2 单端反激式开关电源应用功率范围
单端反激式开关电源在应用过程中,应用功率
普遍不高,通常维持在100 W左右,而且是在开关
管关断期间完成的。开关管开通过程中不需要为负载
提供输出功率,为保证变压器能够复原,设计的占空
比就不能大于0.5。另外考虑到单端反激式开关电源
在应用过程中具有体积小和质量轻等特点和优势,所
以在设计过程中往往设计为低功率。如果强行将单端
反激式开关电源设计成高功率输出,会增大变压器的
体积,增加设计成本,在使用时也会增加系统的损耗,
降低开关电源的效率,所以大功率的DC-DC转换器
都不使用单端反激式的开关电源方案
[9,10]
。
4 结 论
单端反激式开关电源在设计和应用过程中,电
路设计简单,体积小且质量轻,不需要正激式开关电
源的大体积储能滤波电感,也减少了续流二极管的
配置,使其在体积设计上具有了更大优势,大大降低
了设计成本。此外,单端反激式开关电源不仅具有储
能功能,而且变压效果和隔离作用较好,波纹干扰较
少,使得输出电压更干净,满足多路输出和小功率应
用需求。
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